Выбор оптимальных комплексов машин для восстановления функционирования осушительных каналов мелиоративных систем

Введение 

В процессе эксплуатации осушительных каналов наблюдается изменение их проектных и конструктивных размеров. Это связано с тем, что эксплуатация этих каналов сопряжена с неизбежным появлением растительности, притоком различных наносов, песка, грунтов, древесных и каменистых включений. Положение усугубляется различным состоянием каналов: деформированным профилем, изменением уровня воды в течение сезона – от паводка до полного высыхания, засоренностью русла камнями и погребенной древесиной. Наконец, затрудняют механизированную очистку многочисленные сооружения на каналах: мосты, затворы, водовыпуски и т.п. Нередко затруднены подходы к каналам. Это может носить постоянный характер, например, близость лесного массива, строений и т.д. и временный. В последнем случае ограничения, как правило, связаны с посевами, когда запахиваются дороги вдоль каналов и бермы вплоть до самых бровок. Такое состояние дел отрицательно повлияет на пропускную способность открытого канала, производительность осушительных систем в целом [1]. 

Совершенно очевидно, что при комплектовании парка должны учитываться все основные производственные и природные условия, и произведена оценка влияния тех или иных факторов на технологические свойства очистных машин [2].

Практика содержания мелиоративных систем зоны осушения показывает, что эксплуатационные работы следует разграничить на ежегодные, называемые «уходом» и ремонты, необходимость в которых возникает периодически раз в несколько лет. Такие ремонты называются «текущими» [3].

Опыт работы русловых ремонтеров показал, что если операции ухода за каналами проводятся особенно тщательно, как это имело место в ряде областей России, необходимость в капитальных ремонтах каналов практически отпадает. Оптимальное решение проблемы по очистке каналов должно в значительной степени снизить расходы на эксплуатацию осушительных систем. Однако, на сегодняшний день эту проблему нельзя считать окончательно решенной. Несмотря на обширную номенклатуру каналоочистительных машин, проектированных еще в советское время, в настоящее время на осушительных системах используется мало. И в этой ситуации осушительные системы нуждаются в новых конструкциях и типоразмерах машин, что обусловлено производственными и экономическими соображениями.

Материалы и методы

В существующих машинах в качестве главного параметра, определяющего типоразмер машины, выбрана глубина очищаемого канала. Это правомерно для машин, предназначенных для строительства, реконструкции и капитальных ремонтов [4]. В этих случаях с увеличением глубины канала увеличивается и объем удаляемого грунта, что в свою очередь отражается на производительности, мощности, массе, и стоимости машины. Так, используя примеры выполненных конструкций машин, предназначенных для капитального ремонта каналов глубиной 1,5 м, к машинам для 3-х метровых каналов сопровождается 3…5 кратным увеличением их массы и стоимости. Однако только при полной реализации энергетических возможностей более мощной и тяжелой машины и ее достаточной загрузке можно добиться приемлемой стоимости ее эксплуатации [5, 6, 7].

Совершенно иная картина будет иметь место при попытке механизировать операции, входящие в номенклатуру работ по уходу. Например, при очистке дна и прилежащих к нему откосов каналов от наносов и заиления. Здесь глубина не может служить главной характеристикой канала, ибо нет прямой связи между этим параметром и удельными объемами наносов. При одной и той же ширине каналов по дну или небольшой разнице в этих размерах, что характерно для осушительной сети, удельные объемы заиления каналов глубиной в 1 или 3 м могут оказаться примерно равными.

Средние удельные объемы ежегодных работ по удалению наносов чрезвычайно малы и составляют у большинства каналов от 0,02 до 0,10 м³ на 1 м длины. Это соответствует толщине стружки 5…15 см. Понятно, что такие каналоочистительные машины как многоковшовые экскаваторы поперечного копания типа ЭМ-152, ЭМ-202 или роторный МР-16 на этих работах окажутся неэффективными и дорогостоящими.

Необходимо также учитывать, что заиление и наносы распределяются по длине каналов крайне неравномерно. Для проводящей сети, например, максимальные объемы, сосредоточены обычно в зонах, близких к устьям дрен или открытых осушителей. В то же время в других частях каналов объемы наносов могут быть в несколько раз меньше, а в отдельных случаях совсем незначительны. Такая же картина наблюдается на каналах регулирующей сети, где необходимость в очистке возникает главным образом на нижних отметках. Использование в таких условиях мощных высокопроизводительных очистных машин обязательно приведет к большим потерям, связанным не только с недогрузкой машин, но и увеличением транспортных (холостых) пробегов [8, 9, 10].

Одной из главных операций ухода является скашивание растительности с откосов, дна и берм каналов. Есть мнение, что проведение этих операций может быть осуществлено каналоочистительными машинами землеройного типа, используемых как базовые шасси, путем навески сменных рабочих окашивающих органов. Такие органы, в свое время, предусматривались на каналоочистителях ЭМ-202. Были и попытки совместить косилку с одноковшовым экскаватором. Это выполнено в частности на машине КМ-82. Расчеты показывают, что путь этот не самый лучший.

Осушители являются частью номенклатуры мелиоративных каналов и относятся к каналам мелкой сети. Их глубина колеблется от 0,8 до 1,7 м. Немаловажное значение при разработке конструктивных схем каналоочистительных машин имеет такой размер канала как ширина по дну. Для подавляющего большинства осушительных каналов этот размер находится в пределах 0,2…0,6 м. Первая цифра имеет место на каналах, проложенных с помощью плужных каналокопателей. Такие машины при строительстве осушительных систем в России почти не применялись. Процентное соотношение ширины каналов по дну для различных зон на примере Смоленской области: каналы с шириной по дну 0,4 м – 87%, с шириной по дну 0,6 м – 10%, свыше 0,6 м – 3% [11, 12, 13, 14].

Ширина по дну является очень важным параметром  каналов, самым непосредственным образом, влияющим на конструкцию машин. У магистральных каналов и коллекторов осушительных систем ширина по дну достаточно стабильный параметр и укладывается в пределы 0,6…1,0 м. 

С точки зрения механизации очистных работ важным является и такой параметр как коэффициент заложения откосов. Для большинства осушителей заложение откосов находится в пределах 1 : 1 и 1 : 1,5. Каналы с более пологими откосами составляют 1…4%. Если принять среднюю глубину осушителей равной 1,5 м, то ширина канала по верху будет находиться в пределах 5…6 м. Это важно, ибо дает возможность применить для очистки осушителей машины, работающие по седловой схеме.

Поперечное сечение открытого канала имеет форму равнобедренной трапеции. Естественно-производственные условия мелиоративных систем настолько разнообразны, особенно это касается геометрических размеров каналов, что решать проблемы очистки можно только комплексом машин различных типоразмеров. Поэтому, прежде всего, следует обозначить главные зоны и характеристики их естественно-производственных условий.

Результаты и обсуждение 

Формирование комплексов мелиоративных машин, предназначенных для очистки дна канала от наносов и заиления, зависит от многих причин, включая состояние осушительных систем, количество наносов и заилений. Очевидно, что комплекс не может состоять из одной машины, которая обеспечивала бы качественную очистку и дна, и откосов, и берм канала, перемещение  наносов, заилений, растительности и мусора из русла канала и их утилизацию. Все это ведет к тому, что комплекс будет состоять из нескольких машин, производящих ту или иную операцию в составе всего цикла очистных работ. И в то же время, понятно, что количество машин входящих в разные комплексы с экономической точки зрения не может быть больше определенного значения. Может сложиться ситуация, при которой комплекс, состоящий из чрезмерно большого количества машин, применяемых параллельно и последовательно для улучшения, ремонта и очистки канала, несет большие расходы по сравнению с расходами машины предназначенной для строительства данного канала [15, 16, 17].

 Очистные операции должны проводиться ежегодно в рамках ухода за сетью и периодически раз в 2…4 года. Поскольку во многих мелиоративных системах очистка  проводится  редко, и положение меняется, процесс образования наносов идет более интенсивно и через несколько лет удельные объемы могут достигнуть 0,15…0,35 м³ и более, угрожая нарушением нормального функционирования канала. 

При надлежащей работе служб технической эксплуатации осушительной сети капитальные ремонты сведены к минимуму, и они приходятся всего на 1,5 —  3,0% от протяженности всех каналов. Причем значения эти складываются, главным образом, из аварийных объемов в результате оползней, обрушений, завалов после паводков, ливневых дождей и т.п.

Включение той или иной машины в комплекс для очистки канала зависит также от следующих последовательных операций по очистке канала:

1. Удаление наносов и заилений с закрепленного дна канала и перемещение их на берму.

2. Удаление наносов и заилений с откосов канала и перемещение их на берму.

3. Перемещение вынутых из русла канала заилений и наносов в отвал и дальнейшая их утилизация.

Те же самые операции должны быть выполнены в процессе очистки и для осушительных каналов с незакрепленным дном.

В состав одного из вариантов комплекса машин по улучшению каналов могут входить следующие машины: каналоочиститель РР-303 с рабочими органами для очистки как закрепленного, так и незакрепленного дна [19,20], модернизированный каналоочиститель серии ЭМ-152 для очистки откосов каналов, бульдозер ДЗ-42 для перемещения наносов и заилений с бермы канала в отвал. Очевидно, что это один из вариантов комплексов, но также можно предлагать и другие варианты на основе их технико-эксплуатационных и технико-экономических показателей.

Разнообразие естественно-производственных условий не исключает применение на эксплуатационно-ремонтных работах машин различных по технологическим особенностям, производительности и качеству выполняемых работ, однако основным условием выбора той или иной машины все же является стоимость очистки.      

Выводы

1. Большое количество и распределение наносов и заилений в каналах влияют на их пропускную способность.

2. Состояние осушительных каналов мелиоративных систем в настоящее требует применения комплексов машин по их очистке, ремонту и улучшению.

3. Комплексы машин по очистке каналов должны быть сформированы в зависимости от их состояния, естественно-производственных условий, технико-эксплуатационных и технико-экономических показателей каналоочистительных машин.

4. Назрела необходимость в проведении дальнейших исследований, позволяющих оптимизировать параметры рабочих органов существующих машин и обосновать внедрение новых конструкций сменного рабочего оборудования комплексов машин.